《STM32從零開始學(xué)習(xí)歷程》@EnzoReventon

I2C理論部分——協(xié)議層

相關(guān)資料：

I2C物理層介紹
I2C固件庫介紹
STM32的I2C特性及架構(gòu)介紹

參考資料：
[野火EmbedFire]《STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南——基于野火霸天虎開發(fā)板》
[正點(diǎn)原子]STM32F4開發(fā)指南-庫函數(shù)版本_V1.2
[ST]《STM32F4xx中文參考手冊(cè)》

I2C的協(xié)議規(guī)定了通訊的起始和停止信號(hào)、數(shù)據(jù)有效性、響應(yīng)、仲裁、時(shí)鐘同步和地址廣播等環(huán)節(jié)。
起始和停止信號(hào)指用什么來表示通訊的開始和結(jié)束。
數(shù)據(jù)有效性指在時(shí)鐘線(SCL)某個(gè)電平的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)線(SDA)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

1. I2C基本讀寫過程

I2C寫過程：

上圖中，打斜杠的部分是指數(shù)據(jù)由主機(jī)傳輸至從機(jī)；不打斜杠部分為數(shù)據(jù)由從機(jī)傳輸至主機(jī)。
S表示傳輸開始信號(hào)。
SLAVE_ADDRESS表示從機(jī)地址。
A或者非A表示應(yīng)答（ACK）或者非應(yīng)答（NACK）信號(hào)。
舉個(gè)例子：老師要告訴小明的數(shù)學(xué)成績(jī)。
首先老師說：“我要開始告訴某個(gè)同學(xué)的成績(jī)了。”————這一步被抽象成I2C通訊中的S，表示傳輸開始信號(hào)。
接著，老師點(diǎn)名小明。————這一步被抽象成I2C通訊中的SLAVE ADDRESS，表示從機(jī)地址，就是說老師需要吧成績(jī)告訴小明，小明是一個(gè)對(duì)象，當(dāng)然也就是一個(gè)地址。
老師說：“我要告訴你成績(jī)”————這一步被抽象成I2C通訊中的R/W，在這個(gè)場(chǎng)景中，老師是“主機(jī)”，要告訴小明（從機(jī)）他的成績(jī)，因此是由主機(jī)寫如從機(jī)。
這時(shí)候，小明回答：“好的。”表示小明已經(jīng)準(zhǔn)備好接收老師即將匯報(bào)的成績(jī)。————這一步被抽象成A，從機(jī)應(yīng)答。這樣可以保證數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的準(zhǔn)確性。
老師說：“小明你的數(shù)學(xué)成績(jī)?yōu)?9分。” ————DATE
小明說：“好的老師！” ————A
老師說：“小明你的語文成績(jī)?yōu)?02分。” ————DATE
小明說：“好的老師！” ————A
老師說：“小明你的語文成績(jī)?yōu)?02分。” ————DATE
…………小明沒有應(yīng)答。有可能是他來不及記錄了。 ————非A
老師就停止報(bào)成績(jī)。 ————P
老師報(bào)成績(jī)是當(dāng)著全班的面報(bào)的，大家都可以聽到，老師是主機(jī)，各位同學(xué)們就是從機(jī)，老師向大家報(bào)小明的成績(jī)，其實(shí)就是廣播的概念，但是只能有小明響應(yīng)。

以此類推讀過程也是一樣的。

比如說，老師讓小明報(bào)數(shù)學(xué)和語文的成績(jī)。
老師說：“我要同學(xué)給我報(bào)一下成績(jī)。” ————S，開始標(biāo)志。
老師點(diǎn)名小明。 ————SLAVE ADDRESS，從機(jī)地址。
老師說：“請(qǐng)你報(bào)你的成績(jī)。” ————R/W 讀還是寫，相對(duì)于從機(jī)而言。
小明說：“好的。” ————A 白色底的A，從機(jī)響應(yīng)。
小明說：“數(shù)學(xué)：99。” ————DATE，從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
老師說：“好，下一個(gè)。” ————A 條紋底的A，主機(jī)響應(yīng)。
小明說：“語文：102。” ————DATE，從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
老師說：“好的，報(bào)完了請(qǐng)坐。” ————非A，數(shù)據(jù)接收完畢。
結(jié)束。————P，停止標(biāo)志。

I2C復(fù)合讀寫過程：

一般而言，I2C復(fù)合模式第一次通訊是告訴從機(jī)讀寫地址，第二次則是讀寫的實(shí)際內(nèi)容。

詳細(xì)過程：

• S 表示由主機(jī)的I2C 接口產(chǎn)生的傳輸起始信號(hào)(S)，這時(shí)連接到I2C 總線上的所有從機(jī)都會(huì)接收到這個(gè)信號(hào)。
• 起始信號(hào)產(chǎn)生后，所有從機(jī)就開始等待主機(jī)緊接下來廣播的從機(jī)地址信號(hào)(SLAVE_ADDRESS)。在I2C總線上，每個(gè)設(shè)備的地址都是唯一的，當(dāng)主機(jī)廣播的地址與某個(gè)設(shè)備地址相同時(shí)，這個(gè)設(shè)備就被選中了，沒被選中的設(shè)備將會(huì)忽略之后的數(shù)據(jù)信號(hào)。根據(jù)I2C 協(xié)議，這個(gè)從機(jī)地址可以是7 位或10 位。
• 在地址位之后，是傳輸方向的選擇位，該位為0 時(shí)，表示后面的數(shù)據(jù)傳輸方向是由主機(jī)傳輸至從機(jī)，即主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)。該位為1 時(shí)，則相反，即主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。
• 從機(jī)接收到匹配的地址后，主機(jī)或從機(jī)會(huì)返回一個(gè)應(yīng)答(ACK) 或非應(yīng)答(NACK) 信號(hào)，只有接收到應(yīng)答信號(hào)后，主機(jī)才能繼續(xù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
• 若配置的方向傳輸位為“寫數(shù)據(jù)”方向，即第一幅圖的情況，廣播完地址，接收到應(yīng)答信號(hào)后，主機(jī)開始正式向從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)(DATA)，數(shù)據(jù)包的大小為8 位，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，都要等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)(ACK)，重復(fù)這個(gè)過程，可以向從機(jī)傳輸N 個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)N 沒有大小限制。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)停止傳輸信號(hào)§，表示不再傳輸數(shù)據(jù)。
• 若配置的方向傳輸位為“讀數(shù)據(jù)”方向，即第二幅圖的情況，廣播完地址，接收到應(yīng)答信號(hào)后，從機(jī)開始向主機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)(DATA)，數(shù)據(jù)包大小也為8 位，從機(jī)每發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)，都會(huì)等待主機(jī)的應(yīng)答信號(hào)(ACK)，重復(fù)這個(gè)過程，可以返回N 個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)N 也沒有大小限制。當(dāng)主機(jī)希望停止接收數(shù)據(jù)時(shí)，就向從機(jī)返回一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)(NACK)，則從機(jī)自動(dòng)停止數(shù)據(jù)傳輸。
• 除了基本的讀寫，I2C 通訊更常用的是復(fù)合格式，即第三幅圖的情況，該傳輸過程有兩次起始信號(hào)(S)。一般在第一次傳輸中，主機(jī)通過SLAVE_ADDRESS 尋找到從設(shè)備后，發(fā)送一段“數(shù)據(jù)”，這段數(shù)據(jù)通常用于表示從設(shè)備內(nèi)部的寄存器或存儲(chǔ)器地址(注意區(qū)分它與SLAVE_ADDRESS 的區(qū)別)；在第二次的傳輸中，對(duì)該地址的內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)?/strong>。也就是說，第一次通訊是告訴從機(jī)讀寫地址，第二次則是讀寫的實(shí)際內(nèi)容。